论文总字数：17932字

摘 要

脉动真空灭菌器因其具有蒸汽生产成本低、无污染、获取方法简单、浸透能力强、灭菌能力好、容易掌控等显著优势，在医疗、制药等各个行业被广泛使用。本文在查阅相关文献基础上，以XG1型脉动真空灭菌器作为研究对象，开展了设计压力为的XG1型脉动真空灭菌器设计，依据JB4732并结合有限元软件进行结构强度的校核计算。本文主要的研究内容有：建立三种XG1型脉动真空灭菌器的有限元模型，采用ANSYS软件对三种模型进行结构应力以及温度场作用下的结构应力的有限元分析，依据分析设计准则对应力线性化处理后的不安定截面评定应力强度，按照S-N曲线对疲劳敏感点进行疲劳分析，结果表明本文所设计的三种XG1型脉动真空灭菌器的应力强度和疲劳寿命均满足设计要求。

关键词：脉动真空灭菌器 有限元分析 应力评定 疲劳分析

Structural stress calculation and fatigue analysis of XG1 pulsating vacuum sterilizer

Abstract

Pulsating vacuum sterilizer is widely used in various industries such as medical and pharmaceutical due to its outstanding performances such as low steam production cost, no pollution, simple acquisition method, strong penetration ability, reliable sterilization ability, easy to control, etc. In this paper, based on the relevant literature, taken XG1 pulsating vacuum sterilizer as the study object, XG1 pulsating vacuum sterilizer design with the design pressure of -0.1~0.23MPa was carried out, its structure stress was checked based on finite element software and standard JB4732. Contents of this paper are as follows: Finite element model of three kinds XG1 pulsating vacuum sterilizer was established, structural stress and the temperature of three model were calculated, based on finite element analysis and design standard JB4732. Stress assessment was performed on the unstable cross section after stress linearization, and fatigue analysis was performed on fatigue sensitive points according to the S-N curve. The conclusion showed that the stress strength and fatigue life of the three kinds of XG1 pulsating vacuum sterilizers designed in this paper met the design requirements.

Key Words: Pulsating Vacuum Sterilizer; Finite Element Analysis; Stress Assessment; Fatigue Analysis

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1脉动真空灭菌器简介 1

1.2应力分析方法 3

1.3主要研究内容 4

1.4拟采用的研究方案和技术路线 5

1.5预期目标 5

第二章 有限元计算原理 6

2.1脉动真空灭菌器的基本参数 6

2.1.1设计要求 6

2.1.2结构参数 6

2.1.3材料参数 7

2.2有限元分析模型 7

2.2.1有限元分析步骤 7

2.2.2有限元模型的简化 8

2.2.3有限元模型的建立 8

2.2.4加载与约束条件 10

2.2.5划分网格 10

2.3内压引起的应力分析 13

2.4耦合温度场应力分析 15

第三章 应力评定与疲劳分析 19

3.1应力线性化 19

3.2应力分类 19

3.3应力评定 21

3.3.1路径的选取 21

3.3.2应力评定结果 22

3.4 疲劳寿命评价 23

3.4.1疲劳分析方法 23

3.4.2疲劳寿命分析 24

3.5 经济性评价 27

第四章 结论及局限性 29

4.1研究结论 29

4.2研究的局限性 30

参考文献 31

附录I 应力强度评定数据 33

致谢 38

第一章 绪论

近些年来，制药相关的行业发展迅速，与此同时，药品生产质量也越来越受到人们的重视。药品生产质量不仅仅与生产管理相关，还与灭菌技术有着密切的联系。压力蒸汽灭菌具有蒸汽生产成本低、无污染、获取方法简单、浸透能力强、灭菌能力较好、容易掌控等显著优点^[1,2]，从而在消毒灭菌的范围中，压力蒸汽灭菌具有很重要地位，同时它也是制药、医疗行业中最常用的灭菌方法之一。采用此种灭菌方法的脉动真空灭菌器在医疗行业中可对不需要降温防爆的药品或布类物品像容器盖、操作器械、各种工作衣物等进行消毒，在药品制造领域中可对原料、敷料、操作用具等物件进行灭菌^[3]。但是在拉撑焊缝边缘、内筒与门圈法兰连接焊缝附近和内筒弯角处等部位，脉动真空灭菌器容易出现不同程度的开裂泄漏，这些开裂位置、方向有一定规律^[4]。为此，通过对脉动真空灭菌器进行应力计算和疲劳分析，对脉动真空灭菌器的设计进行优化，已经成为国内外相关领域研究的重点。

1.1脉动真空灭菌器简介

脉动真空灭菌器，也被称作为压力蒸汽灭菌器，其消毒杀菌载体为高温水蒸汽，并且利用抽空阀和真空泵经过轮流进行一定次数的抽取气体与注入水蒸汽过程将内腔中的气体尽数排出^[5]。然后将高温饱和水蒸汽向夹套里通入并保持一定时间，当被灭菌的材料与通入的高温饱和水蒸汽相互接触时，根据散热原理细菌以及微生物将会遇到高温产生蛋白质变性，最终导致死亡^[6]，这就是脉动真空灭菌器的灭菌消毒的作用原理。根据焊接方式和加强筋类型的不同，脉动真空灭菌器主要分为以下两种类型^[7]：

（1）绕带式：绕带式主要有以下部件：灭菌室、端部、绕带结构、门板及框架等。其中灭菌室是由S31603钢板经折弯再经过焊接连接制作而成；端部和门板均由钢板和加强筋组成；多条加强筋均匀排布在腔体外表面，且与加强筋间的连接板连接组成数条绕带环绕着腔体，其中每条绕带中均包含4条加强筋，加强筋采用板材冷弯成型^[8]，高温饱和蒸汽储存在绕带结构中。

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